單片比例電阻分壓器提供了一種低漂移解決方案，可將現(xiàn)代 EV 電池組中的高電壓轉(zhuǎn)換為適合在 BMS 系統(tǒng) ADC 中轉(zhuǎn)換和處理的電壓。

• 與分立電阻鏈相比，集成高壓電阻分壓器提供了一種更精確、更節(jié)省空間的電壓衰減方法。

• 片上比率分壓器在 10 年使用壽命內(nèi)可保持 ±0.2% 的最大壽命漂移比

• 與高精度放大器相結(jié)合，具有匹配比率的分頻器可以產(chǎn)生具有極高共模抑制比的差動放大器，這有助于降低噪聲和其他誤差。 

在現(xiàn)代電動汽車 （EV） 和混合動力電動汽車 （HEV） 中，電池管理系統(tǒng) （BMS） 是電池組背后的大腦，負(fù)責(zé)確保電池性能良好、安全運行并持續(xù)很長時間。BMS 跟蹤充電狀態(tài) （SOC） 等參數(shù)，前者表示可用能量，后者評估電池單元的整體狀況和老化情況。監(jiān)控這些指標(biāo)有助于保持高效的能源使用并防止電池過早退化。

為了滿足有關(guān)電池效率和環(huán)境可持續(xù)性的法規(guī)，汽車制造商必須在車輛的整個生命周期內(nèi)保持高水平的電池健康。例如，加州空氣資源委員會 （California Air Resources Board） 出臺了標(biāo)準(zhǔn)，要求到 2030 年車型年，電動汽車必須保持至少 80% 的電動續(xù)航里程 10 年或 150,000 英里。

這是最早將于 2026 年款生效的較低要求的高潮，其中規(guī)定在 2031 年款之后將繼續(xù)收緊法規(guī)。類似的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在世界各地生效，因此需要在 BMS 內(nèi)采用更高的電池電壓和更先進(jìn)的傳感技術(shù)來提高精度。

本文展示了與分立電阻鏈相比，集成高壓電阻分壓器提供了一種更精確、更節(jié)省空間的電壓衰減方法。這種方法使 BMS 能夠更好地平衡電池組并延長其使用壽命。圖 1 顯示了 EV 中通常使用的電池單元測量分壓電阻器。

圖1. EV 電池 ≥400 V 由電阻分壓器衰減，以與 BMS 的其余部分連接。

應(yīng)用 ABC

典型的 EV 電池電壓為 ≥400 V，該行業(yè)趨向于 1 kV 或更高的電壓。之所以出現(xiàn)這種趨勢，是因為輸出功率更大的 EV 電池充電器可以更快地為車輛充電，而功率是電流和電壓的函數(shù)：P = IV。為了達(dá)到特定的充電速度，可以使用這種電壓/電流關(guān)系來增加電壓，以最小化或保持平坦的電流值，同時仍能提供必要的功率。

由于熱量會降低電池和電子元件的使用壽命，因此在 EV 設(shè)計中，最小化電流值是一個優(yōu)勢，因為增加電流會導(dǎo)致電動動力總成內(nèi)的散熱增加。此外，更少的電流使得使用更輕規(guī)格的電線成為可能，從而減輕了整體線束重量，并使車輛在相同的電量下可以行駛更遠(yuǎn)。

EV 電池管理

雖然許多世界上最大的汽車制造商都在加大對先進(jìn)電池的投資，這些電池有望比鋰離子電池更安全、充電更快、儲存更多的能量......

直接測量電池的電壓并將其傳送到相關(guān)的數(shù)字車輛系統(tǒng)需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換器通常由 5 V 左右的電壓供電。由于輸入信號> 5 V 可能會損壞 ADC，因此要保護(hù) ADC 和其他低壓元件免受電池相對較大的電壓的影響，需要使用隔離式放大器等器件在高壓域和低壓域之間保持屏障。

盡管隔離式放大器是兩個電壓域之間的橋梁，但它只能接受與 ADC 相似的電壓范圍，因此在到達(dá)隔離式放大器之前需要衰減電池電壓。為此，通常使用電阻分壓器，將高壓信號降低到較低電壓滿量程范圍。

圖 2 是直流母線測量的電路圖，使用長電阻串將電池電壓衰減到可接受的水平。

圖2. 所示為使用分立電阻梯的電池電壓測量電路。

分立電阻鏈的缺點

當(dāng)處理大于 400 V 的電壓時，必須考慮爬電距離和電氣間隙，以防止電弧并確保安全絕緣。雖然傳統(tǒng)的電阻分壓器只需要兩個電阻，但在爬電距離和電氣間隙方面，高壓衰減通常采用長電阻鏈，以增加高壓節(jié)點和低壓節(jié)點之間的物理距離。

根據(jù)國際電工委員會 （IEC） 60115-8，每個電阻器的最大持續(xù)壓降是有限的;通常，每個 1206 外殼尺寸的表面貼裝電阻器為 200 V，每個 0805 外殼尺寸的電阻器為 150 V。由于電池的電壓在高于和低于其額定值時都會變化，因此使用過多的電阻器作為預(yù)防措施，這通常會導(dǎo)致 10 個或更多分立電阻器鏈。

這種設(shè)計方法確實存在一些缺點。即使使用精密電阻器，每個分立電阻器的固有容差的變化也會導(dǎo)致分壓比出現(xiàn)顯著差異，從而導(dǎo)致電壓測量不準(zhǔn)確。

分立電阻器也容易受到溫度波動和老化導(dǎo)致的電阻變化的影響。這種電阻器兩端的焊點都暴露在外，除非使用保形涂層或其他形式的保護(hù)，否則可能會導(dǎo)致額外的泄漏和寄生電容或電感，這會增加解決方案成本。

這些效應(yīng)會在一長串分立電阻器中復(fù)合，隨著時間的推移進(jìn)一步降低電壓檢測精度。這可能會導(dǎo)致 SOC 和 SOH 估計錯誤，從而導(dǎo)致次優(yōu)的電池管理決策，例如不正確的充電和放電周期，并最終縮短電池壽命并削弱電動汽車的續(xù)航里程。

集成的性能和可靠性優(yōu)勢

使用現(xiàn)代半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)，可以在標(biāo)準(zhǔn)硅襯底晶圓上構(gòu)建薄膜硅鉻電阻層。該電阻層由二氧化硅絕緣層封裝，可在 >1 kV 的極高電壓下使用。

將此晶圓的單個部分（稱為晶片）封裝到標(biāo)準(zhǔn)塑料集成電路 （IC） 外殼中，將保護(hù)晶片免受外部應(yīng)力的影響。由于爬電距離和間隙是在引腳之間的間隙上測量的，因此制造商可以根據(jù)設(shè)計規(guī)格將類似尺寸的芯片放入更小的封裝中以獲得更好的產(chǎn)品，或者放入更大的封裝中以增加距離。

這種方法在性能和可靠性方面具有顯著優(yōu)勢，因為成為芯片的每個晶圓部分的相對電阻都非常緊密匹配。初始比率和隨時間變化的指定最大限值有助于確保分壓比保持準(zhǔn)確，即使受到老化或環(huán)境變化（如溫度變化）的影響。

例如，通過利用這項技術(shù)，德州儀器 （TI） RES60A-Q1 電阻分壓器在 10 年使用壽命內(nèi)規(guī)定了 ±0.2% 的最大壽命比。這種可靠性對于優(yōu)先考慮一致性能的應(yīng)用程序非常重要。

IC 封裝設(shè)計無需冗長的分立電阻器鏈，從而減少了所需的印刷電路板占用空間。這種整合不僅簡化了電路布局，還降低了與元件數(shù)量相關(guān)的組裝成本。更少的暴露節(jié)點降低了因泄漏或寄生效應(yīng)而出錯的可能性，消除了對保形涂層的需求，這也有可能降低成本。

圖 3 是直流總線測量的電路圖，其中 TI RES60A-Q1、RES11A-Q1 和 AMC1311B-Q1 提供了一種測量跨越隔離柵的電壓的方法，實現(xiàn)了 <1% 的滿量程誤差。

圖3. 該電路用于電池電壓測量，采用 RES60A-Q1、RES11A-Q1 和 AMC1311B-Q1。

差分至信號端轉(zhuǎn)換

具有差分輸出的 TI AMC1311B-Q1 等隔離式放大器很受歡迎，因為差分輸出非常適合長距離傳輸信號而不會降低性能，并且出于安全原因，設(shè)計人員通常會將其低壓元件放置在遠(yuǎn)離高壓源的位置。將此信號饋入單端 ADC 需要通過添加集成差動放大器或圍繞放大器配置的四個分立電阻器作為兩個電阻分壓器來實現(xiàn)差分至單端轉(zhuǎn)換。

與分立電阻分壓器在衰減過程中可能引入誤差的原因相同，單個電阻也可能在分立差動放大器實現(xiàn)中引入比率漂移。由同一芯片上的兩個電阻分壓器組成的集成電阻網(wǎng)絡(luò)也可以安裝在塑料 IC 封裝中。這提供了應(yīng)力保護(hù)，并確保隨附的兩個分頻器在它們的比率之間也具有嚴(yán)格的公差。

與高精度放大器配合使用時，具有匹配比率的分頻器可以產(chǎn)生具有極高共模抑制比的差動放大器，這有助于降低噪聲和其他誤差。

集成解決方案可延長電池運行狀況

在為 BMS 設(shè)計高壓衰減電路時，從分立電阻鏈過渡到集成解決方案具有許多優(yōu)勢。當(dāng)與用于差分信號轉(zhuǎn)換的互補集成組件結(jié)合使用時，這些器件可實現(xiàn)具有更高電壓和準(zhǔn)確 SOC 和 SOH 讀數(shù)的電動動力系統(tǒng)。最終結(jié)果是 EV 能夠長時間保持電池健康。